نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

نشریه مهندسی عمران امیرکبیر

بررسی تأثیر ابعاد نمونه بر مقاومت فشاری تک‌محوره و ضریب ارتجاعی گرانیت با استفاده از مدل‌سازی عددی دانه‌مبنا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
مرضیه مرادی
ساسان قربانی
دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران
10.22060/ceej.2026.25871.8457
چکیده
اثر مقیاس یکی از مهم‌ترین عوامل کنترل‌کننده رفتار مکانیکی سنگ‌ها محسوب می‌شود. در این پژوهش، اثر نسبت ارتفاع به قطر و آرایش دانه‌ای بر مقاومت فشاری تک‌محوره و ضریب ارتجاعی گرانیت با استفاده از مدل‌سازی عددی مبتنی بر دانه بررسی شد. به همین ‌منظور، نمونه‌های گرانیت با سه ساختار دانه‌ای شامل آرایش‌های نامنظم، نیمه‌منظم و تقریباً منظم تولید و برای نسبت‌های ارتفاع به قطر برابر 0/8، 1/4 و 2 تحت بارگذاری فشاری تک‌محوره شبیه‌سازی شدند. نتایج نشان داد که با افزایش نسبت ارتفاع به قطر از 0/8 به 2، مقادیر میانگین مقاومت در تمامی ساختارها بین 17% تا 26% کاهش یافت؛ به‌طوری‌که کمترین مقدار مقاومت در نمونه‌های بلندتر و دارای ساختار نامنظم مشاهده شد. در مقابل، ضریب ارتجاعی حساسیت کمتری نسبت به تغییر ابعاد نمونه نشان داد و کاهش آن بین 4% تا 8% برآورد شد. تحلیل اثر آرایش دانه‌ای نشان داد که ساختارهای نامنظم با پراکندگی زیاد مقادیر مقاومت، بیشترین حساسیت نسبت به اثر مقیاس را دارند، در حالی‌که شبکه‌های منظم‌تر به دلیل توزیع یکنواخت‌تر تنش، رفتار مکانیکی پایدارتری ایجاد می‌کنند. با هدف تحلیل کمی اثر مقیاس، روابط توانی میان پارامترهای مکانیکی و نسبت ارتفاع به قطر استخراج شد. تحلیل‌ها نشان دادند که ضریب حساسیت اثر مقیاس برای مقاومت به ‌مراتب بزرگ‌تر از ضریب ارتجاعی است؛ به‌گونه‌ای که نسبت شدت اثر مقیاس مقاومت به ضریب ارتجاعی در ساختارهای نیمه‌منظم حدود 4/9 برآورد شد. نتایج این پژوهش نشان داد که اثر مقیاس در گرانیت عمدتاً ماهیتی مقاومتی داشته و به‌ شدت متأثر از ناهمگنی ریزساختاری و نحوه آرایش دانه‌ها می‌باشد.
کلیدواژه‌ها
ناهمگنی ریزساختاری
نسبت ارتفاع به قطر
مقاومت فشاری تک‌محوره
شدت اثر مقیاس
ضریب ارتجاعی
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigating the Influence of Specimen Size on the Uniaxial Compressive Strength and Elastic Modulus of Granite through Grain-Based Numerical Modeling

نویسندگان English

Marziyeh Moradi
Sasan Ghorbani
MSc of Rock Mechanics, Department of Mining Engineering, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran
چکیده English

The scale effect is considered one of the most significant factors governing the mechanical behavior of rocks. This study investigated the influence of the height-to-diameter ratio (H/D) and grain arrangement on the uniaxial compressive strength (UCS) and modulus of elasticity (E) of granite using finite element modeling. For this purpose, samples with three grain arrangements including irregular, medium regular, and almost regular were generated and simulated under uniaxial compression for H/D ratios of 0.8, 1.4, and 2. The results indicated that increasing the H/D ratio from 0.8 to 2 led to a reduction in average UCS values ranging from 17% to 26% across all grain structures. In contrast, the modulus of elasticity exhibited lower sensitivity to changes in sample dimensions, with a reduction ranging between 4% and 8%. The analysis of grain arrangement effects showed that disordered structures, with greater scatter in UCS values, exhibit the highest sensitivity to the scale effect, whereas more regular networks, due to a more uniform stress distribution, produce more mechanically stable behavior. To quantitatively analyze the scale effect, power relationships were derived between the mechanical parameters and the H/D ratio. The analyses indicated that the scale effect sensitivity coefficient for UCS is significantly higher than that for the modulus of elasticity; specifically, the ratio of the scale effect intensity of UCS to E ( ) in medium regular structures was estimated to be 4.9. This study showed that scale effect of granite is mainly resistive and strongly controlled by microstructural heterogeneity and grain arrangement.

کلیدواژه‌ها English

Microstructural Heterogeneity
Height to Diameter Ratio
Uniaxial Compressive Strength
Scale-Effect Intensity
Modulus of Elasticity
[1]       H. Masoumi, K.J. Douglas, A.R. Russell, A bounding surface plasticity model for intact rock exhibiting size-dependent behavior, Rock Mechanics and Rock Engineering, 49(2016) 47-62.
 
[2]       R. Yoshinaka, M. Osada, H. Park, T. Sasaki, K. Sasaki, Practical determination of mechanical design parameters of intact rock considering scale effect, Engineering Geology, 96(2008) 173-186.
 
[3]       B.A. Poulsen, D.P. Adhikary, A numerical study of the scale effect in coal strength, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,  63(2013) 62-71.
 
[4]       S. Ghorbani, Effect of grain network structure on macroproperties and strain energy of marble under unconfined compression using 2D continuum based Voronoi models, Scientific Reports,  16(2026) 3727.
 
[5]       Z. Hu, L. Xie, Y. Qin, X. Liu, J. Qian, Numerical simulation of size effect of defective rock under compression condition, Scientific Reports, 13(2023) 420.
 
[6]       Z. Liu, C. Zhang, C. Zhang, H. Wang, H. Zhou, B. Zhou, Effects of amygdale heterogeneity and sample size on the mechanical properties of basalt, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 14(2022) 93-107.
 
[7]       Z. Tian, C. Tang, H. Li, H. Xing, X. Ning, Numerical Simulation of Rock Uniaxial Compressive Strength and Deformation Failure Law under Different Size Conditions, Advances in Civil Engineering, 2021(2021) 1-11.
 
[8]       M. Brabec, J. Štetiar, L. Krmíček, Mitigating the effect of specimen size on uniaxial compressive rock strength using a generalised correction and experimental testing method, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 84(2025) 470.
 
[9]       Y. Enbing, FDEM numerical simulation of size effect on mechanical properties of basalts with hidden microcracks, Scientific Reports, 15(2025) 7246.
 
[10]     N. Bahrani, P. Kaiser, Numerical investigation of the influence of specimen size on the unconfined strength of defected rocks, Computers and Geotechnics, 77(2016) 56-67.
 
[11]     X. Wang, W. Yuan, Y. Yan, X. Zhang, Scale effect of mechanical properties of jointed rock mass: A numerical study based on particle flow code, Geomechanics and Engineering, 21(2020) 259-268.
 
[12]     Q. Liang, H. Lan, Y. Zhou, B. Li, W. Sun, S. Liu, W. Lv, Reverse Size Effect of the Unconfined Compressive Strength of Crystalline Rock: A Grain‑Scale Perspective, Rock Mechanics and Rock Engineering, 58(2025) 1651-1669.
 
[13]     A. Chaurasia, G. Walton, Laboratory and Numerical Modeling of the Effects of Width‑to‑Height Ratio on the Strength and Deformation Behavior of Pillars Composed of Porous, Weak Limestone, Rock Mechanics and Rock Engineering, 57(2024) 719-738.
 
[14]     X. Kong, Q. Liu, H. Lu, Effects of rock specimen size on mechanical properties in laboratory testing, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 147(2021) 04021013.
 
[15]     A. Naseri, B. Maleki, T. Asheghi Mehmandari, A. Tohidi, A. Fahimifar, Investigating the influence of Sample geometric variations on mechanical characterization in rock and concrete, Journal of Mining and Environment, 16(2025) 1089-1107.
 
[16]     H. Li, K. Song, M. Tang, M. Qin, Z. Liu, M. Qu, B. Li, Y. Li, Determination of scale effects on mechanical properties of Berea Sandstone, Geofluids, 2021(2021) 6637371.
 
[17]     T. Durmeková, M. Bednarik, P. Dikejová, R. Adamcová, Influence of specimen size and shape on the uniaxial compressive strength values of selected Western Carpathians rocks, Environmental Earth Sciences, 81(2022) 247.
 
[18]     S.B. Çelik, The effect of cubic specimen size on uniaxial compressive strength of carbonate rocks from Western Turkey, Arabian Journal of Geosciences, 10(2017) 426.
 
[19]     S. Ghorbani, M. Moradi, Numerical Investigation of the Effect of Grain Geometrical Arrangement on the Results of the Brazilian Tensile Strength Test of Marble Using the Grain-Based Model, Journal of Mineral Resources Engineering, 11(2026) 79-98.
 
[20]   S. Ghorbani, Analysis of Damage Parameters of Marble Under Uniaxial Compressive Loading Using Grain-Based Finite Element Simulation and a Damage Constitutive Model, Amirkabir Journal of Civil Engineering,  16(2026) 3727. 
[21]   E. Hoek, Rock Engineering Course Notes by Evert Hoek, (2009).
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 58، شماره 4
1405
صفحه 577-592